引言

在醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)影像分割技術(shù)是疾病診斷、治療規(guī)劃和手術(shù)導(dǎo)航等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的重要支撐。UNet作為一種經(jīng)典的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，憑借其編碼器-解碼器結(jié)構(gòu)和跳躍連接設(shè)計(jì)，在醫(yī)學(xué)影像分割任務(wù)中表現(xiàn)出色。然而，傳統(tǒng)的基于CPU或GPU的軟件實(shí)現(xiàn)方式在實(shí)時(shí)性方面存在不足，難以滿足臨床應(yīng)用對(duì)快速響應(yīng)的需求?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）憑借其高度并行性和可重構(gòu)性，成為加速UNet模型推理的潛在解決方案。

UNet模型架構(gòu)解析

UNet模型由編碼器、解碼器和跳躍連接三部分組成。編碼器通過卷積層和池化層逐步提取圖像特征，同時(shí)降低特征圖的分辨率；解碼器則通過上采樣操作逐步恢復(fù)特征圖的分辨率，并結(jié)合編碼器中對(duì)應(yīng)層級(jí)的特征圖，實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)信息的恢復(fù)。跳躍連接將編碼器中的低層特征與解碼器中的高層特征進(jìn)行融合，有助于保留圖像的空間細(xì)節(jié)信息，提高分割精度。

基于FPGA的硬件加速設(shè)計(jì)

1. 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于FPGA的UNet模型硬件加速系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)輸入模塊、特征提取模塊、上采樣模塊、跳躍連接模塊和輸出模塊。數(shù)據(jù)輸入模塊負(fù)責(zé)接收待分割的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為適合FPGA處理的格式；特征提取模塊通過卷積層和池化層實(shí)現(xiàn)圖像特征的提??；上采樣模塊采用反卷積操作逐步恢復(fù)特征圖的分辨率；跳躍連接模塊將編碼器中的特征圖與解碼器中的特征圖進(jìn)行融合；輸出模塊將最終的分割結(jié)果輸出到外部設(shè)備。

2. 卷積運(yùn)算優(yōu)化

卷積運(yùn)算是UNet模型中最耗時(shí)的操作之一。為了在FPGA上實(shí)現(xiàn)高效的卷積運(yùn)算，可以采用以下優(yōu)化策略：

循環(huán)展開：通過在硬件描述語(yǔ)言（如Verilog或VHDL）中展開卷積運(yùn)算的循環(huán)，減少循環(huán)控制邏輯的開銷，提高運(yùn)算并行度。

流水線設(shè)計(jì)：將卷積運(yùn)算劃分為多個(gè)階段，并在FPGA上實(shí)現(xiàn)流水線處理，使得不同階段的運(yùn)算可以同時(shí)進(jìn)行，從而提高整體運(yùn)算速度。

并行計(jì)算：利用FPGA的多個(gè)計(jì)算單元同時(shí)處理多個(gè)卷積核或多個(gè)輸入通道，進(jìn)一步提高運(yùn)算效率。

以下是一個(gè)簡(jiǎn)化的Verilog代碼示例，展示了如何在FPGA上實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本的卷積運(yùn)算模塊：

verilog

module convolution_2d (

   input wire clk,

   input wire rst_n,

   input wire [7:0] pixel_in,

   input wire [7:0] kernel [0:2][0:2],

   output reg [15:0] conv_out

);

reg [7:0] pixel_buffer [0:2][0:2];

reg [1:0] row_idx, col_idx;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

   if (!rst_n) begin

       conv_out <= 0;

       row_idx <= 0;

       col_idx <= 0;

   end else begin

       // 更新像素緩沖區(qū)

       pixel_buffer[row_idx][col_idx] <= pixel_in;

       if (col_idx == 2) begin

           col_idx <= 0;

           if (row_idx == 2) begin

               row_idx <= 0;

               // 執(zhí)行卷積運(yùn)算

               conv_out <= (pixel_buffer[0][0] * kernel[0][0] +

                            pixel_buffer[0][1] * kernel[0][1] +

                            pixel_buffer[0][2] * kernel[0][2] +

                            pixel_buffer[1][0] * kernel[1][0] +

                            pixel_buffer[1][1] * kernel[1][1] +

                            pixel_buffer[1][2] * kernel[1][2] +

                            pixel_buffer[2][0] * kernel[2][0] +

                            pixel_buffer[2][1] * kernel[2][1] +

                            pixel_buffer[2][2] * kernel[2][2]);

           end else begin

               row_idx <= row_idx + 1;

           end

       end else begin

           col_idx <= col_idx + 1;

       end

   end

end

endmodule

3. 資源分配與優(yōu)化

在FPGA上實(shí)現(xiàn)UNet模型時(shí)，需要合理分配硬件資源，以避免資源沖突和性能瓶頸?？梢酝ㄟ^以下方法進(jìn)行資源優(yōu)化：

資源共享：對(duì)于多個(gè)卷積層或上采樣層中相似的計(jì)算單元，可以采用資源共享的方式，減少硬件資源的占用。

層次化設(shè)計(jì)：將UNet模型劃分為多個(gè)層次，并在FPGA上實(shí)現(xiàn)層次化設(shè)計(jì)，使得不同層次的計(jì)算可以獨(dú)立進(jìn)行，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性。

時(shí)序優(yōu)化：通過調(diào)整FPGA的時(shí)鐘頻率和時(shí)序約束，優(yōu)化系統(tǒng)的時(shí)序性能，確保系統(tǒng)能夠在滿足時(shí)序要求的前提下實(shí)現(xiàn)最高性能。

結(jié)論

基于FPGA的UNet模型硬件加速設(shè)計(jì)為醫(yī)療影像實(shí)時(shí)分割提供了一種有效的解決方案。通過合理的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、卷積運(yùn)算優(yōu)化和資源分配與優(yōu)化，可以在FPGA上實(shí)現(xiàn)高效的UNet模型推理，滿足臨床應(yīng)用對(duì)快速響應(yīng)的需求。未來，隨著FPGA技術(shù)的不斷發(fā)展和優(yōu)化，基于FPGA的醫(yī)療影像實(shí)時(shí)分割系統(tǒng)將在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。